20世紀70年代初，隨著國際形勢的變化和發展，中美兩國領導人清醒地意識到，改善雙邊關系符合兩國的共同利益。
1971年4月10日至17日，以美國乒乓球協會主席格雷姆·斯廷霍文為團長的美國乒乓球代表團應邀訪華，這是新中國成立后第一個應邀訪華的美國團體。美國乒乓球代表團的訪華，重新打開了中美交往的大門，為中美關系的發展奠定了良好開端，因而被稱為“小球轉動了大球”的“乒乓外交”。
1971年7月9日至11日，美國總統尼克松的特使、美國國家安全事務助理基辛格秘密訪問中國，為尼克松訪華鋪平道路。1972年2月21日至28日，美國總統尼克松應中國國務院總理周恩來的邀請訪華。毛澤東主席與尼克松橫跨太平洋的握手，打破了中美凍結20余年的堅冰。尼克松訪華期間，中美雙方于1972年2月28日在上海發表了《中美聯合公報》，即“上海公報”。在公報中，雙方回顧了經歷著重大變化和巨大動蕩的國際形勢，闡明了各自的立場和態度，并確定了共同的基本原則。然而，尚未來得及實現中美關系正常化，尼克松就因“水門事件”提前下臺。繼任總統福特由于各種原因也未能實現中美關系的新突破。
1977年，卡特入主白宮。基于中國在地區和世界上的作用日益重要這一事實，卡特政府把同中國關系正常化作為它對外政策的主要目標。1977年8月和1978年5月，卡特分別派國務卿萬斯和國家安全事務助理布熱津斯基訪華，就中美關系正常化與中方進行磋商。1978年7月，中美兩國代表在北京開始建交談判。臺灣問題是談判的關鍵。1978年12月13日，中國領導人鄧小平在北京會見了美方談判代表伍德科克，直接與他就建交聯合公報方案交換意見。美方隨后提出修改草案，基本滿足了中方要求。在關鍵時刻，鄧小平親自參與談判，使中美建交談判在數日內一錘定音。
1978年12月16日，中美兩國發表了《中華人民共和國和美利堅合眾國關于建立外交關系的聯合公報》，即中美建交公報。中美兩國宣布自1979年1月1日起互相承認并建立外交關系。公報重申上海公報中雙方一致同意的各項原則，并決定1979年3月1日互派大使并建立大使館。
為了進一步增進中美雙方的了解，推動中美關系的發展，鄧小平副總理于1979年1月28日至2月4日應卡特總統的邀請對美國進行正式友好訪問。這是中華人民共和國成立后中國領導人第一次訪美，受到了美國政府和人民的熱烈歡迎。
鄧小平副總理同卡特總統就國際形勢和中美關系深入交換了意見。談到臺灣問題時，鄧副總理說，中國是愿意用和平方式解決臺灣問題的，但不能承擔不用武力解決臺灣問題的義務，因為那樣反而不利于臺灣問題的和平解決。雙方發表的聯合新聞公報說：“雙方認為，兩國社會制度的不同不應妨礙彼此加強友好關系和合作。”
在訪問期間，中美雙方簽署了科技合作協定和文化協定，在教育、商業、空間方面進行合作的協議，以及建立領事關系和互設總領館的協議。
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